Теплообменники в дата-центрах

Оригинальная статья HEXNOVAS

Теплообменники в дата-центрах

Теплообменники в дата-центрах

Современные центры обработки данных – это энергетические системы. Теплообменники выступают в качестве теплового интерфейса между жидкостными петлями ИТ, водой объекта, оборудованием для свободного охлаждения и сетями повторного использования тепла.

Современные центры обработки данных больше не являются простыми серверными комнатами. Они представляют собой сложные энергетические системы, интегрирующие охлаждение, управление мощностью и рекуперацию отработанного тепла. Как показано на системной диаграмме, теплообменники образуют основной тепловой интерфейс между ИТ-оборудованием и внешней энергетической инфраструктурой.

Вместо того, чтобы действовать как изолированные компоненты, теплообменники работают как тепловые мосты, соединяя внутренние контуры жидкостного охлаждения с системами водоснабжения объекта, бесплатными холодильными установками и сетями повторного использования тепла.

1) Система охлаждения — BPHE (Brazed Plate Heat Exchanger)

В охлаждающей секции теплообменники расположены внутри блока распределения охлаждающих веществ (CDU). BPHE разделяет две независимые цепи:

• Охлаждающая петля (непосредственно подключена к серверам)
• Водопроводная петля (охлажденная вода или охлаждающая вода)

BPHE передает тепло от серверной жидкости к строительной воде без смешивания жидкостей.

Типичные параметры

• Впуск петли: 30-45°C
• Выходной канал IT-петли: 20–30°C
• Мощность охлаждения на BPHE: 200-1500 кВт
• Давление: 10-25 бар
• Температура приближения: 2-4 К

Здесь теплообменник обеспечивает стабильную работу сервера, электрическую изоляцию и высокую эффективность теплопередачи в компактном пространстве.

2) Свободное охлаждение - теплообменник как экологический интерфейс

В секции свободного охлаждения теплообменники соединяют внутренние петли охлаждения с сухими охладителями, градирнями или источниками окружающей воды. Вместо того, чтобы использовать чиллеры, система использует воздух или воду непосредственно.

Типичная операция

• Температура холодной воды: 12-18°C
• Бесплатное охлаждение: 40-70% годовых рабочих часов
• Экономия энергии: 15-30%

При таком раскладе теплообменник становится границей между дата-центром и природной средой.

3) Восстановление тепла отработанных отходов - теплообменник в качестве устройства для экспорта энергии

Нижняя часть диаграммы показывает, как теплообменники позволяют повторно использовать отработанное тепло. Восстановленная теплая вода передается в офисные здания, системы централизованного теплоснабжения или бытовые сети горячей воды.

Типичные параметры рекуперации тепла

• Температура теплой воды: 30–55°C
• Годовое время повторного использования: 6000-8000 часов
• Сокращение выбросов CO₂: до 40%

В этой роли теплообменник превращает ЦОД из потребителя чистой энергии в поставщика энергии.

Инженерное заключение

От охлаждения до свободного охлаждения и рекуперации тепла теплообменники больше не являются вспомогательными устройствами. Они действуют как:

• Термальные интерфейсы
• Концентраторы передачи энергии
• Системные компоненты интеграции

В центрах обработки данных следующего поколения теплообменники являются не только частью системы охлаждения, но и основной инфраструктурой для управления цифровой энергией.

FAQ — теплообменники в дата-центрах

Внутри блока распределения охлаждающей жидкости (CDU) наиболее часто используемым типом является теплообменник с стертой пластиной (BPHE).

Причины:

• Компактный размер для интеграции на уровне стойки или комнаты
• Высокий коэффициент теплопередачи
• Низкая температура приближения (2-4 К)
• Способность к высокому давлению (10-25 бар)
• Нет риска утечки прокладки

Для более высоких мощностей (выше ~ 1,5 МВт) могут использоваться проглоченные пластинчатые теплообменники (GPHE) или пластинчато-оболочные теплообменники (PSHE).

Теплообменник с газовой плитой (GPHE) обычно используется, когда:

• Мощность охлаждения превышает 1-2 МВт
• Требуется доступность обслуживания
• Качество воды требует механической очистки
• Долгосрочная эксплуатация имеет решающее значение

Установки GPHE позволяют удалять пластины и очищать их, что делает их пригодными для крупных центральных установок.

Да, но реже. Они используются, когда:

• Требуется чрезвычайно высокая надежность
• Качество воды плохое
• Неблагоприятный риск высок
• Очень большие потоки существуют

Тем не менее, они обычно имеют больший след, более низкую эффективность и более высокие температуры приближения.

Для современных центров обработки данных высокой плотности, как правило, предпочтительны пластинчатые теплообменники.

Общие варианты:

• GPHE — наиболее распространенная для интеграции на стороне здания
• BPHE — для модульных или небольших систем
• Сварная пластина — для более высокого давления или концентрации гликоля

Выбор зависит от химического состава воды, стратегии технического обслуживания, температуры подхода и емкости.

• GPHE / PSHE для интеграции систем централизованного теплоснабжения
• Пластина и оболочка для сетей высокого давления
• Двухстенные обменники, когда требуется безопасность разделения

При экспорте тепла в системы централизованного теплоснабжения расчетное давление может превышать 16-25 бар, что требует армированных пластин или сварных конструкций.

• Очень высокая эффективность теплопередачи
• Низкая температура приближения (критическая для жидкостного охлаждения)
• Компактный след
• Модульная масштабируемость
• Нижний заряд хладагента/охладителя
• Упрощенная интеграция с системами рекуперации энергии

Пластины: 316L (наиболее распространенные), 304 (низкая коррозия), титан (специальная вода)

Брейзинг: медь (стандарт), никель (агрессивные жидкости)

Гаскеты (для GPHE): EPDM (вода), NBR (нефть), FKM (высокая температура)

Эффективная конструкция теплообменника снижает нагрузку на чиллер, улучшает свободное охлаждение окна, обеспечивает более высокие температуры питания и поддерживает повторное использование отработанного тепла - непосредственно снижая потребление энергии охлаждения и улучшая PUE.

В дата-центрах с жидкостным охлаждением теплообменник является одним из основных определяющих факторов тепловой эффективности.

• Охлаждающая способность (кВт или МВт)
• Приближается температура
• Ограничения на снижение давления
• Химия воды
• Доступ к обслуживанию
• Требования в отношении увольнения
• Будущая масштабируемость

Правильный размер имеет решающее значение, потому что недостаточный размер увеличивает температуру приближения, в то время как чрезмерный размер увеличивает капитальные затраты.

Двухстенные теплообменники могут потребоваться, когда:

• Существует риск перекрестного загрязнения
• Жидкости должны оставаться абсолютно изолированными.
• Стандарты соответствия требуют обнаружения утечки

Они обеспечивают повышенную безопасность, но увеличивают стоимость и площадь.

Теплообменники Pillow Plate в дата-центрах

Используются ли в дата-центрах теплообменники на подушечных пластинах? Да, но обычно не внутри ХДС.

Теплообменники с подушками чаще используются в:

• Задние дверные теплообменники (RDHx)
• Погружение стенок охлаждающего резервуара
• Модули рекуперации тепла
• Конструкционные охлаждающие панели

Где применяются подушки

Типичное размещение

• Задние охлаждающие панели: большая площадь поверхности, равномерное распределение, низкое падение давления
• Погружение резервуаров: большие сварные панели, интегрированные в стенки резервуаров или внутренние охлаждающие поверхности
• Теплоотдача: модули теплопередачи воды с большими плоскими поверхностями теплопередачи

Почему подушки не распространены в ХДС

Когда подушка является правильным выбором

• Доступны большие плоские поверхности
• Требуется структурная интеграция
• Умеренная плотность теплового потока приемлема
• Полностью сварная конструкция предпочтительнее
• Необходима толерантность

Инженерная перспектива: в современных центрах обработки данных с высокой плотностью ИИ BPHE/GPHE доминируют в приложениях CDU; пластины подушки поддерживают стойки уровня и погружения охлаждающих конструкций; Сварные пластины или конструкции плит и раковин используются для экспорта централизованного отопления.